摘 要

改革开放以来，我国的经济建设快速发展。以钻爆法为主的爆破开挖技术越来越多的应用到建设工程的各个领域，而建筑物拆除爆破技术也在市政工程、桩基清渣、厂矿技术改造等得到了广泛应用。在深孔大直径灌注桩的浇筑过程中，需要严格控制混凝土的运输、浇灌的程序，有时由于操作不当，造成桩身渗入泥渣、桩身缩颈或断裂、桩顶混凝土溢出等工程事故，为保证成桩的质量和满足设计要求，需要对桩段或残渣进行爆破拆除，以保证施工顺利进行。

依托于武汉市岱家山大桥42#桥墩水下灌注桩的清渣工程，通过对岩石爆破拆除技术和爆破地震效应理论的分析，借助ABAQUS建立的有限元模型，研究了桥墩及基桩在爆破地震波和水击波协同作用下的动力响应，并分析和考虑了对爆破振动效应的影响，主要得出的内容和成果如下：

（1）收集了武汉市岱家山大桥工程的地质资料和施工工况，给出了水下混凝土爆破清渣的施工方案的可行性和安全性评判，验证了爆破水击波、地震波对邻近桥墩、钢围堰等结构物的影响在安全范围以内，修正的爆破振动速度预测公式计算值偏小，并且认为在水下单孔起爆爆破施工中，水击波压力的影响很小。

（2）通过分析爆生气体反应过程，选定了水下单孔爆破荷载模型，考虑水的影响时装药耦合系数可选为1，桩顶与混凝土之间的临空面能够有效降低爆破振动效应，桩身最大振动速度为5.8cm/s,符合规范要求。模拟结果表明，桩的振动响应主要发生在竖直方向，桩体产生的拉应力较大，应当防范拉裂纹的产生，影响桩的质量。

（3）一般建筑物结构的自振频率较小，模型的自振频率集中在2.1～2.5HZ,距爆源较近时地震波的波频主要集中高频带，此时共振效应较小，有利于结构的安全。

（4）针对水下爆破提出的质点峰值振动修正公式进行了评估，认为其是在特定的试条件下提出的，是否具有推广性还有待考证。

关键词：水下爆破，动力响应，桩基振动，ABAQUS。

Abstract

Since the reform and opening up, China's economic construction has developed rapidly.The blasting excavation technology based on drilling and blasting is more and more applied to various fields of construction engineering, and the demolition and blasting technology of buildings is also widely used in municipal engineering, pile foundation slag removal, and technical transformation of factories and mines.In the casting process of large diameter piles in deep hole, need to strictly control the concrete transportation, casting process, sometimes due to improper operation, cause infiltration sludge of pile, pile body neck or fracture of concrete overflow engineering accidents, such as top, in order to ensure the pile quality and meet the design requirements, need to blasting demolition of pile segment or debris, to ensure the smooth progress of construction.

In this paper, based on Wuhan Daijiashan bridge 42 # pier underwater piles of slag removal project, based on the rock blasting demolition technology and the analysis of the blasting seismic effect theory, using ABAQUS to establish finite element model of bridge pier and the pile is studied under the blasting seismic wave and the water hammer wave synergy of dynamic response, and analysis and considering the influence of blasting vibration effect, main content and achievements are as follows:

(1) collected in wuhan adai home mountain bridge engineering geological data and construction condition of underwater concrete blast slag removal is given the feasibility of construction scheme and safety evaluation of blasting surge wave and seismic wave was verified on nearby bridge pier, the influence of the steel cofferdam structure such as within the scope of security, and that underwater single-hole blasting in the blasting construction, the influence of water hammer wave is small.

(2) by analyzing the reaction process of blasting gas, the underwater single-hole blasting load model was selected. Considering the influence of water, the coupling coefficient could be 1. The hollow surface between pile top and concrete can effectively reduce the blasting vibration effect.The simulation results show that the vibration response of the pile is mainly in the vertical direction, and the tensile stress of the pile is large.

(3) the natural vibration frequency of general building structure is small. The natural vibration frequency of the model in this paper is concentrated in 2.1 ~ 2.5hz, and the wave frequency of seismic wave when the distance from the detonation source is relatively close is mainly concentrated in the high frequency band. At this time, the resonance effect is small, which is conducive to the safety of the structure.

(4) the modified formula for particle peak vibration proposed by underwater blasting is evaluated and considered to be put forward under specific experimental conditions. Whether it has the universality remains to be verified.

Key words: Underwater blasting,Dynamic response,Pile vibration,Abaqus

目录

中文摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外爆破发展现状 1

1.3 爆炸冲击数值模拟研究现状 2

1.4 本文研究的方法及意义 2

1.4.1主要内容 2

1.4.2研究意义 3

第二章 岩土工程爆破理论 4

2.1爆炸分类及其特点 4

2.1炸药爆轰流体动力学理论 4

2.3 爆破对岩体的破碎机理 5

2.3.1岩体爆破破碎基本原理 5

2.3.2岩体爆破破碎分区 5

2.4爆破地震波理论 6

2.4.1爆炸应力波的演变 6

2.4.2地震波的传播规律 6

2.5爆破振动安全控制标准 7

2.6爆破地震效应的影响因素及降震措施 8

2.6.1装药密度 8

2.6.2爆破形式 9

2.7水下爆破荷载作用下混凝土结构的动力响应 9

2.8本章小结 10

第三章 岱家山大桥工程概况及爆破数值模拟 11

3.1项目背景 11

3.1工程概况 11

3.2爆破施工方案安全评价理论计算 13

3.3ABAQUS简介及所建模型 14

3.3.1ABAQUS软件简介 15

3.3.2有限元模型的建立 15

3.4爆炸荷载的计算模型 16

3.4.1等效荷载时程曲线 17

3.4.2等效荷载峰值压力 17

3.5爆破施工对灌注桩的动力响应 17

3.5.1桩身的安全振动速度 17

3.5.2爆破振动频率的影响 18

3.6桩身内力及位移的结果分析 19

3.6.1桩身的内力 19

3.6.2桩身的位移 22

3.7结论及意义 22

3.8本章小结 22

第四章 结论与展望 24

4.1主要结论 24

4.2展望 25

致谢 26

参考文献： 27

第一章 绪论

1.1引言

随着我国经济建设的快速发展，工程爆破作为一种技术手段已经在国防、铁路、隧道、采矿、桩基、硐室、水利水电等工程中得到了广泛应用，并且应用领域和范围还在不断扩大，为国民建设带来了的经济效益。同时，爆破施工危害也越来越受到人们的关注。爆破地震波、冲击波、个别飞石及滚石、毒气、灰尘等负面效应都会施工人员、邻近建筑物和环境产生一定的危害，甚至爆破安全事故也时有发生。其中爆破振动效应的危害日显突出，近年来，国内外很多学者对爆破地震波的传播机理、危害机制、控制技术手段等方面进行了深入而广泛的研究，取得了大量的研究成果和工程经验。但考虑爆破冲击具有瞬时性，爆破应力波传播介质具有多样性且衰减规律极其复杂，水下爆破产生的水击波将与地震波协同作用使结构物产生动力响应，且传统的质点峰值振动速度经验公式没有水对应力波衰减的影响，以及水对装药耦合系数的影响等等，水下爆破振动效应及安全控制仍然是一个研究的热点和难题。

1.2国内外爆破发展现状

早在17世纪，便有了利用黑火药开采矿山的记载，19世纪中末期，许多新工业炸药种类的发明，使工程爆破技术得到了快速发展和推广应用。我国的工程爆破技术起步较晚，直至新中国成立初期，我国才有了自己的工业炸药，1979年我国研制生产出了乳化炸药，其爆炸性能强、防水性能好、价格低廉，是一种新型的抗水工业炸药。

Bowen J R^[1]等人提出爆炸必须具备的两个条件，一是单位体积能量密度很大；二是能量释放或转化的速度极快。

张雪亮^[2]等人分析了各种爆破危害的影响，认为爆破振动效应对邻近建筑物的影响最大，居爆破公害之首。

Lamb^[3]提出了以弹性半空间解为基础的理论方法，为分析研究地震波的传播规律提供了一种可能的途径。

Henrych^[4]从动力学角度讨论了爆破作用原理，分析了岩土介质中的爆破动力学效应及振动规律，比较全面的阐述了爆破地震效应中的一些基本问题。

M.A,萨道夫斯基^[5]提出的传统质点峰值振动速度经验公式在工程上应用的最为普遍。

Crandell^[6]提出了能量比的破坏判据并定义了地震波的传播方程，建立了测试结果与结构破坏之间的联系。

P.Cole^[7]在大量试验的基础上，提出了一定范围内爆炸冲击波峰值压力的分析理论。

邵蔚，王长柏^[8]等人考虑水体波动对爆破振动传播的影响，提出了修正的水下爆破质点峰值振动速度公式。

彭亚雄^[9]考虑水下钻孔爆破地震波与水击波的协同作用，分析了桥墩的动力响应特征及演化机制。

程康^[10]等人对比了不同频带内的爆破振动效应，发现在主频率下，最大质点振动速度是真实的安全判据。

1.3 爆炸冲击数值模拟研究现状

为了更好的指导工程实践，利用计算机软件建立合理的工况模型模拟结构物在爆破荷载作用下的非线性动力响应，例如ANSYS/LS-DYNA有限元显式方法、ABAQUS有限元显示方法等，近年来，国内外的学者对此进行了大量的研究工作并取得了许多成果。

masuda,hideki^[11j依据工程实测数据，成果应用数值模拟方法验证了隧道稳定力学模型。刘育魁，姚戈^[12]采用Lagrange型流体弹塑性模型，模拟了埋深较大时，重力对应力波传播及质点振动速度的影响，结果表明重力仅仅对抛掷岩石块体的高度及散度有较大的影响，比较符合工程实际，创下国内爆破数值模拟的先河。夏祥，李俊如^[13]等采用离散元软件UDEC模拟了岩体动态响应，得到质点峰值振动速度和振动主频与爆源起爆药量的关系。陈春歌，申志兵^[14]等人采用了ANSYS/LS-DYNA有限元显式方法进行了人工干预条件下的水下爆破安全控制模拟，得到了减振效果随着减振沟深度的增加更加明显的结论。陈坤鑫^[15]等模拟得到15m水深处炸药爆炸的水击波峰值压力公式。

有限元数值模拟中，普遍的做法是根据C-J爆轰理论将作用在孔壁上的压力根据圣维南原理等效为均布的三角形时程荷载，施加在同排炮孔的同心面上^[16-17]。

1.4 本文研究的方法及意义

1.4.1主要内容

以岩土开挖工程爆破和水下爆破理论为基础，介绍了爆破振动的危害效应及爆破地震波的衰减规律，结合岱家山大桥施工现场爆破试验，采用数学回归统计分析方法对不同频带内的爆破参数进行取值，校核了爆破方案的安全性。基于ABAQUS建立了数值模拟计算模型，分析研究了水下灌注桩在邻近爆破作用下的动力响应，验证了临空面对爆破振动效应的控制效果，并考虑了振动频率对结构物动力响应的影响，为安全爆破清渣设计提供依据。

1.4.2研究意义

水下爆破相比露天爆破更具隐蔽性和复杂性，研究水下爆破产生的水击波和地震波的危害效应及其协同作用，将频率因素和爆破振动安全判据结合起来，探索更加准确的水下爆破振动经验公式，利用计算机的数值模拟对周边建筑物的动力响应进行模拟，辅助爆破施工方案的设计，保证爆破施工的安全和施工工期的顺利进行，具有切实的经济效益和研究意义

第二章 岩土工程爆破理论

2.1爆炸分类及其特点

爆炸是指某种物质系统在短时间内发生快速的物理或化学变化，系统本身释放出大量能量并借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做机械功，同时伴随着强烈的放热、发光和声响等现象。根据爆炸性质的不同可将爆炸现象分为物理爆炸、化学爆炸以及核爆炸三类。其中化学爆炸在工程爆破中应用的最为广泛。

爆炸的基本特征：大量放热；反应过程的高速度；生成大量的气体产物。以上三个条件即爆炸三要素，是发生爆炸现象的必备条件。

2.1炸药爆轰流体动力学理论

爆轰波是一种带有滞后的化学反应的特殊冲击波，通过炸药自身的爆炸反应持续提供能量沿炸药柱在炸药中传播。

爆轰波在介质中传播时，波阵面前后的介质状态参数会发生突跃式变化。且爆轰波有一定的厚度，数量级为10^-8mm。

目前，得到广泛认可的爆轰理论基础是Chapman-Jouguet理论，即C-J理论。C-J爆轰波的基本参数主要有气体压力、温度、密度等。基于质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律三大定律可推导出爆轰波的基本关系式：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

式（2-3）称为爆轰波的Hugoniot方程。

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